D-A-A类型有机小分子光伏材料的设计及其光电性能测试

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ztsdc
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在过去十几年里,有机太阳能电池作为最有机会替代硅晶板太阳能电池的候选受到广泛关注。其中基于有机小分子光伏材料的太阳能电池发展迅速,其单节效率已超过16%。有机小分子光伏材料具有合成简便、光吸收性质与能级带隙易调控等优势,展现出很大的发展空间。目前报道的主流构型基本为A-D-A、D-A-D、A-D-A’-D-A等对称型分子。相对的,不对称型有机小分子报道相对较少。本文通过采取端基调控、中心吸电子单元调整以及共轭骨架延长三种设计策略,设计合成了两个系列8种D-A-A类型有机小分子光伏材料。具体内容如下:(1)选择三苯胺(TPA)单元作为端基给电子单元,双氟苯并噻二唑(BT)单元或者吡咯并吡咯二酮(DPP)单元作为中心吸电子单元。通过延长分子共轭骨架或调控端基来优化分子性质。我们利用量子化学计算、紫外可见光吸收(UV-Vis)测试、循环伏安(CV)测试来对分子的光电性质进行预测以及表征。(2)通过测试可以发现,所有分子均具有良好的分子平面性,BT系列分子展现了较宽的分子带隙,通过在分子结构中引入乙炔基以及乙炔基官能化的噻吩基团或者调整端基单元可以促进分子的有效共轭,降低分子带隙,达到优化分子光吸收性质的目的。(3)相比于BT系列分子,DPP系列分子由于引入了具有较大共轭结构的DPP单元,HOMO能级发生明显提高,展现了较窄的分子带隙和达到近红外区的光吸收范围,值得注意的,通过调整端基后,TPADPPIO的LUMO能级进一步降低,分子带隙进一步减小,展现了1.35eV的窄带隙,且在膜状态下该分子的边缘吸收超过850nm。(4)本文以上述分子为给体材料、选择PC61BM为受体材料制作了BHJ光伏器件,经测试,基于BT系列分子的器件参数中Voc相对较高,其中基于TPABTThRD的器件具有最高Voc值1.03V。这与该系列分子较低的HOMO能级有关。由于DPP系列分子优越的光吸收性质,基于该系分子的光伏器件展现了相对较高的Jsc,其中基于TPADPPPI的器件展现了最高Jsc值9.31 mA·cm-2。且基于该分子的器件表现出最高PCE(4.21%)。(5)以BT系列分子分别作为受体材料,P3HT为给体材料制备的有机太阳能电池表现出确定的效率,该结果表明该系列分子拥有作为受体材料潜力,展现了双偶极特性。
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